(57)【要約】  Ａｌ基軸受合金は、Ｓｉを１〜１５質量％含む。このＡｌ基軸受合金において、摺動側の表面に存在する隣り合ったＳｉ粒子間の距離をＡとし、Ｓｉ粒子の長軸長さをａとしたとき、Ａ／ａの平均値が１を超え４以下であることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉを１〜１５質量％含むＡｌ基軸受合金において、摺動側の表面に存在する隣り合ったＳｉ粒子間の距離をＡ、前記Ｓｉ粒子の長軸長さをａとしたとき、Ａ／ａの平均値が１を超え４以下であることを特徴とするＡｌ基軸受合金。
【請求項２】
前記摺動側の表面に存在する前記Ｓｉ粒子のアスペクト比の平均値が１以上２．５以下であることを特徴とする請求項１記載のＡｌ基軸受合金。
【請求項３】
前記摺動側の表面に存在する任意の特定Ｓｉ粒子を有し、前記特定Ｓｉ粒子に厚さ方向で隣り合った至近Ｓｉ粒子は、
前記摺動側の表面において前記特定Ｓｉ粒子に隣り合ったＳｉ粒子までの距離をＡ、前記特定Ｓｉ粒子の長軸長さをａとしたとき、前記特定Ｓｉ粒子の重心を中心とする半径ｒが
ｒ＝Ｂ×（Ａ／ａ）（μｍ）
ａ／２＜Ｂ≦２０
である範囲内に存在することを特徴とする請求項１記載のＡｌ基軸受合金。
【請求項４】
下記（１）〜（３）のうち一つ以上を含有することを特徴とする請求項１、２または３記載のＡｌ基軸受合金。
（１）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．１〜７質量％
（２）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜３質量％
（３）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜２質量％
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉを含んだＡｌ基軸受合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ基軸受合金は、例えばＳｎを２０質量％程度添加したＡｌ−Ｓｎ軸受合金や、Ｓｎを１０質量％程度、Ｓｉを３質量％程度添加したＡｌ−Ｓｎ−Ｓｉ軸受合金などが、自動車や一般産業機械のエンジンのすべり軸受に使用されている。なお、Ａｌ基軸受合金は、すべり軸受として使用される場合には、鋼板製の裏金に接合して使用されるのが一般的である。ここで、Ａｌ基軸受合金中のＳｉは硬質粒子であり、相手軸と接触した場合に相手軸の突起を滑らかにし（ラッピング効果）、また、硬質粒子そのものが相手軸と接触することによりＡｌマトリクスが削られ難くなるため、いわゆる耐摩耗性に寄与している。【０００３】
ところで、近年の自動車用エンジンでは、燃費向上のため、起動−停止が多く行われる傾向があり、また、例えばすべり軸受が組み付けられるコンロッド等のハウジングの軽量化が進められている。しかし、ハウジングの軽量化のために薄肉化が行われると、ハウジングの剛性が低下し、ハウジング自身が変形し易くなる。そのため、Ａｌ基軸受合金（すべり軸受）が支える軸の動荷重等によってハウジング自身が変形し、これに伴いＡｌ基軸受合金自体も曲げ変形し易い状況になって、Ａｌ基軸受合金に疲労が生じ易くなっている。【０００４】
その対策として、例えば、Ｓｉを含むＡｌ基軸受合金において、小さなＳｉ粒子と大きなＳｉ粒子を適度な比率で混在させることで、耐摩耗性と耐疲労性の向上を図ったものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１９５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
昨今の厳しい使用条件の下では、一層耐摩耗性と耐疲労性に優れたものが要求されている。
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐摩耗性および耐疲労性に一層優れたＡｌ基軸受合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、Ｓｉを１〜１５質量％含むＡｌ基軸受合金において、これに含まれるＳｉ粒子の大きさと、隣り合ったＳｉ粒子間の距離との関係に着目し、鋭意研究を行った。その結果、Ｓｉ粒子の大きさと、隣り合ったＳｉ粒子間の距離との関係が、耐摩耗性および耐疲労性と密接に関係していることを突き止め、本発明に至った。【０００８】
すなわち、本発明は、Ｓｉを１〜１５質量％含むＡｌ基軸受合金において、摺動側の表面に存在する隣り合ったＳｉ粒子間の距離をＡ、前記Ｓｉ粒子の長軸長さをａとしたとき、Ａ／ａの平均値が１を超え４以下であることを特徴とする（請求項１の発明）。【０００９】
ここで、上記Ａ／ａの求め方について説明する。Ｓｉを含むＡｌ基軸受合金において、摺動側の表面の組織を撮影する。得られた画像を解析ソフトを用いて解析し、各パラメータを測定する。【００１０】
図１は、Ｓｉ粒子１の配置を理想化した解析イメージ図である。この図１において、隣り合ったＳｉ粒子１間に引かれた線は、ボロノイ境界線である。図１において、Ｓｉ粒子１の長軸長さａは、Ｓｉ粒子１を囲む外接四角形における長い方の辺の寸法とする。そして、隣り合ったＳｉ粒子１間の重心間距離Ａを、Ｓｉ粒子１の長軸長さａで割る。それを所定測定視野内の各Ｓｉ粒子１に対してそれぞれ行い、Ａ／ａの平均値を求める。【００１１】
ここで、Ａ／ａの平均値が１を超え４以下であると、Ｓｉ粒子がＡｌマトリクス中に適度な間隔で均一に分散していると判断でき、Ｓｉ粒子が持っている硬質粒子としての機能であるラッピング効果と耐摩耗性の効果を期待できるとともに、耐疲労性の効果も期待できる。【００１２】
しかし、前記Ａ／ａの値が４を超えると、Ａｌマトリクスの占める割合が多くなり、特にラッピング効果と耐摩耗性の効果が低下してしまう。逆に、Ａ／ａの平均値が１以下になると、Ａｌマトリクスの占める割合が少ないので、軸受合金としてのしなやかさが低下し、急激になじみ性が低下し、耐疲労性が低下してしまう。【００１３】
本発明のＡｌ基軸受合金は次のようにして製造する。
まず、ＡｌとＳｉ、並びに必要な添加物を材料として、例えば連続鋳造機によりＡｌ基合金の板状のビレット（鋳造板）を製造する。この後、そのビレットを所定の厚さになるまで圧延を繰り返す。このとき、２回以上高い圧下率で圧延する。具体的には、１回目の圧下率は４０〜８０％とする。２回目の圧下率は３０〜７０％とする。ｎ＋１回目の圧下率は、ｎ回目の圧下率より低くすることが好ましい。このように２回以上高い圧下率で圧延することで、Ａｌ基合金中の母相となるＡｌマトリクスの結晶粒を消滅させる。この場合、結晶粒が消滅とは、結晶粒界が過密となって断面エッチング組織上でＡｌの結晶粒界を確認できないことと定義する。Ａｌマトリクスの結晶粒を消滅させるほど圧延することで、Ｓｉ粒子をＡｌマトリックス中に均一に分散させることができたと考えられる。【００１４】
この後、熱処理を行うことで、Ａｌを再結晶させる。これにより、Ａｌマトリクス中にＳｉ粒子が極力均一に分散するようになるとともに、Ｓｉ粒子の形状も適度なものとなったと考えられる。【００１５】
本発明の請求項２のＡｌ基軸受合金は、摺動側の表面に存在する前記Ｓｉ粒子のアスペクト比の平均値が１以上２．５以下であることを特徴とする。
Ｓｉ粒子のアスペクト比とは、図１におけるＳｉ粒子１の外接四角形の長い方の辺の長さ（長軸）を、短い方の辺の長さ（短軸）で割った値である。アスペクト比が１に近いほどＳｉ粒子の形状は円または正方形に近くなり、アスペクト比が大きくなるほど、Ｓｉ粒子の形状が長細いものとなる。【００１６】
Ｓｉ粒子の形状は、軸受合金の耐疲労性と密接な関係がある。すなわち、Ｓｉ粒子のアスペクト比はＳｉ粒子の形状の異方性の度合を示している。アスペクト比が大きいと、形状が異方的なＳｉ粒子に対して優先的に力が加わり、軸受合金の変形に至り易くなるため、耐疲労性が下がる傾向がある。Ｓｉ粒子のアスペクト比の平均値が１以上２．５以下であることが好ましい。【００１７】
本発明のＡｌ基軸受合金は、ビレットを所定の厚さになるまで圧延を繰り返す際、１回目の圧下率を５０〜７０％として圧延し、その圧延したものに対して２回目の圧下率を４０〜６０％として圧延して製造することができる。ｎ＋１回目の圧下率は、ｎ回目の圧下率よりも１０％低い圧下率に設定することが好ましい。例えば、ｎ回目の圧下率を６０％とした場合は、ｎ＋１回目の圧下率は５０％に設定する。【００１８】
また、前記摺動側の表面に存在する任意の特定Ｓｉ粒子を有し、前記摺動側の表面において前記特定Ｓｉ粒子に隣り合ったＳｉ粒子までの距離をＡ、前記特定Ｓｉ粒子の長軸長さをａとしたとき、前記特定Ｓｉ粒子に厚さ方向で隣り合った至近Ｓｉ粒子は、前記特定Ｓｉ粒子の重心を中心とする半径ｒが
ｒ＝Ｂ×（Ａ／ａ）（μｍ）
ａ／２＜Ｂ≦２０
である範囲内に存在することを特徴とする（請求項３の発明）。【００１９】
図２に示すイメージ図を用いて説明する。図２中のＤ方向が厚さ方向である。摺動側の表面１０に存在するＳｉ粒子１１、１２、１３、１４の分布と共に、厚さ方向に隣り合った至近Ｓｉ粒子２１、２２、２３までの距離が耐摩耗性に密接に関係している。すなわち、摺動側の表面１０に存在する任意の特定Ｓｉ粒子１１、１２、１３、１４から厚さ方向に隣り合った至近Ｓｉ粒子２１、２２、２３までの距離を所定以上にすると、更に耐摩耗性が向上する。これに対し、特定Ｓｉ粒子１１、１２、１３、１４から厚さ方向に隣り合った至近Ｓｉ粒子２１、２２、２３までの距離が大きすぎると耐摩耗性が低下する傾向にある。そこで、摺動側の表面１０に存在する特定Ｓｉ粒子１１、１２、１３、１４に厚さ方向で隣り合った至近Ｓｉ粒子２１、２２、２３は、特定Ｓｉ粒子１１、１２、１３、１４から所定の半径ｒの円で規定される範囲内の領域３０に存在させることとした。これにより、材料の破断を回避しつつ、摩耗の進行を緩和させることができる。【００２０】
ここで、至近Ｓｉ粒子２１、２２、２３は、特定Ｓｉ粒子１１、１２、１３、１４から半径ｒの円で規定される範囲内の領域３０に、全体に限らず少なくともその一部が含まれていればよい。【００２１】
この厚さ方向におけるＳｉ粒子の配置は、次のようにして制御することができる。
製造したビレットは、少なくとも２回圧延する。具体的には、１回目の圧下率は４０〜８０％、好ましくは５０〜７０％とする。そして、２回目の圧下率は、１回目の圧下率の６〜９．５割とする。これにより、Ａｌ基合金中のＡｌマトリクスの結晶粒は消滅するとともに、厚さ方向において隣り合ったＳｉ粒子の配置が制御される。ｎ＋１回目の圧下率は、ｎ回目の圧下率の６〜９．５割にして製造することが好ましい。【００２２】
なお、前記係数Ｂはａ／２の値よりも大きくて２０以下として規定したが、測定実務上、そのａ／２の値を同定する際のａの値は、所定測定視野での各長軸長さａからの平均値を用いる。【００２３】
至近Ｓｉ粒子が２ａ／３≦ｒ≦１５×（Ａ／ａ）で囲まれた範囲内に存在すると、耐摩耗性及び耐疲労性の向上の観点からより好ましい。ここでも、測定実務上、その２ａ／３の値を同定する際のａの値は、所定測定視野での各長軸長さａからの平均値を用いる。【００２４】
更には、領域３０を規定する半径ｒが２μｍ以上５０μｍ以下であると、製造上の観点から好ましい。
そして、特定Ｓｉ粒子の重心と至近Ｓｉ粒子の重心との距離が、５μｍ以上であることが耐疲労性向上に有利であり、３０μｍ以下であることが耐摩耗性向上に有利である。【００２５】
本発明の請求項４のＡｌ基軸受合金は、下記（１）〜（３）のうち一つ以上を含有することを特徴とする。
（１）Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．１〜７質量％
（２）Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜３質量％
（３）Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒのうちから選択された１種以上の元素を総量で０．０１〜２質量％
これら（１）〜（３）の各成分の組成の限定理由を説明すると、以下のとおりである。【００２６】
前記（１）で挙げた選択元素（Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ）は、Ａｌマトリクスの強度を向上させる添加元素であり、溶体化処理を施すことで強制的にＡｌマトリクスに固溶させることができ、時効させることで、微細な化合物を析出させることもできる。その効果は含有量が０．１質量％未満では期待できず、７質量％を超えると粗大な化合物になってしまう。含有量は総量で０．５〜６質量％が好ましい。【００２７】
前記（２）で挙げた選択元素（Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ）は、単体でＡｌマトリクス中に固溶するか、多元系金属間化合物として晶出することになり、耐疲労性を向上させる。含有量が０．０１質量％未満ではその効果が得られない。軸受合金としてのなじみ性の観点からは３質量％以下が望ましい。好ましい含有量は０．０２〜２質量％である。【００２８】
前記（３）で挙げた選択元素（Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ）は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系金属間化合物の生成には寄与せず、Ａｌマトリクスに固溶し、軸受合金の疲労強度を高める効果を持つ。含有量が０．０１質量％未満ではその効果はない。軸受合金としての脆性の観点からは２質量％以下が望ましい。その好ましい含有量は０．０２〜０．５質量％である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】Ｓｉ粒子の配置を理想化した解析イメージ図
【図２】Ｓｉ粒子の配置を厚さ方向の断面で理想化した解析イメージ図
【図３】圧延工程の概略構成を示す側面図
【図４】摩耗試験の条件を示す概略図
【図５】疲労試験の条件を示す概略図
【図６】実施例品および比較例品の試験結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明のＡｌ基軸受合金の効果を確認するために、Ｓｉを含むＡｌ基軸受合金を用いたすべり軸受の試料（実施例品と比較例品）を製作し、これらの試料に対して摩耗試験および疲労試験を行った。
【００３１】
実施例品の製造方法は次のとおりである。
まず、連続鋳造機にて、Ｓｉを含有したＡｌ基軸受合金のビレットを鋳造した。具体的には、Ａｌ基軸受合金を製造するための溶解用材料として図６に記載の組成を用い、厚さが約１５ｍｍの板状のＡｌ基合金のビレットを得た。
【００３２】
この後、前記ビレットを所定の厚さ（例えば１ｍｍ）となるまで、冷間で複数回の圧延を行って薄板状のＡｌ基軸受合金を得た。圧延工程は、図３に示すように、板状のビレット１１１を、上下一対のローラ１１２，１１３間に通し、これらローラ１１２，１１３を回転させながら圧力をかけることにより行う。この圧延工程において、Ａｌ基合金中の母相となるＡｌマトリクスの結晶粒を消滅させるため、本実施例では、高い圧下率での圧延を少なくとも２回行う。１回目の圧下率は約７０％とし、２回目の圧下率はそれよりやや低い約５０％とする。
【００３３】
この後、得られたＡｌ基軸受合金を、裏金層を構成する鋼板に圧接させ、軸受形成用板材を製造する。このとき、Ａｌ基軸受合金を圧接する際の前処理として、接着側の鋼板表面の最大高さ粗さを５〜４０μｍ程度にすることで、接着力を確保するようにしてもよい。圧接後、接着力を高めるため、および歪み除去のための焼鈍を行う。この後、得られた前記軸受形成用板材を機械加工により半円筒状にし、半割軸受とした。これを実施例品とした。
【００３４】
比較例品の製造方法は、実施例品の製造方法とは特に次の点が異なっている。すなわち、実施例品と同様の材料を用いて連続鋳造機によりＡｌ基合金のビレット１５ｍｍを製造した後、このビレットを圧延工程で所定の厚さ（１ｍｍ）となるまで圧延を複数回繰り返すが、このときの１回の圧延での圧下率は従来通り最大でも２５％以下とする。この後、得られたＡｌ基軸受合金を、実施例品と同様に、裏金層を構成する鋼板に圧接させ、軸受形成用板材を製造する。圧接後、接着力を高めるため、および歪み除去のための焼鈍を行う。この後、得られた前記軸受形成用板材を機械加工により半円筒状にし、半割軸受とした。これを比較例品とした。
【００３５】
そして、実施例品と比較例品について、それぞれＡｌ基軸受合金の摺動側表面及び厚さ方向断面を光学顕微鏡で組織を撮影し、得られた画像を解析ソフト（Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ  Ｐｌｕｓ（Ｖｅｒｓｉｏｎ４．５）（商品名）：（株）プラネトロン製）を用いて解析し、各Ｓｉ粒子の長軸長さａと、隣り合ったＳｉ粒子間の距離Ａを測定し、Ａ／ａの平均値等を求めた。また、各Ｓｉ粒子の長軸長さと短軸長さを測定し、アスペクト比（長軸長さ／短軸長さ）の平均値を求めた。その結果、Ａ／ａの平均値は、比較例品では４超えとなっていた。これに対して、実施例品では、Ａ／ａの平均値は１を超え４以下であった。ここでは、３００μｍ×４００μｍ測定視野で行った。
【００３６】
また、実施例品と比較例品について、摩耗試験と疲労試験を行った。摩耗試験の条件は図４に示し、疲労試験の条件は図５に示している。摩耗試験は、軸受内面に静荷重をかけ、起動−停止を繰り返し行い、所定の時間が経過した後、摩耗量（μｍ）を測定するものである。これによって、耐摩耗性を評価した。疲労試験は、軸受内面に動荷重を負荷し、所定の試験時間で疲労しない最大面圧（ＭＰａ）を耐疲労性として評価した。評価の結果を図６に示す。
【００３７】
まず、Ａ／ａが耐摩耗性および耐疲労性に与える影響を検討するために実施例品８と比較例品１とを対比する。実施例品８は、Ａ／ａの平均値がＡ／ａ＝３．８である。この実施例品８は、疲労しない最大面圧が８０ＭＰａであり、摩耗量が１８μｍであった。これに対し、比較例品１は、Ａ／ａの平均値がＡ／ａ＝４．３である。この比較例品１は、疲労しない最大面圧が６０ＭＰａであり、摩耗量が２５μｍであった。この実施例品８と比較例品１との対比から、Ａ／ａが４以下であると、Ａ／ａが４より大きいものに比べて耐摩耗性および耐疲労性が優れていることがわかる。このように、Ａ／ａの平均値が１を超え４以下である実施例品１から８は、比較例品１に比較して耐摩耗性および耐疲労性が向上することが確認できた。
【００３８】
次に、Ｓｉ粒子のアスペクト比が耐疲労性に与える影響を検討するために実施例品７と実施例品８とを対比する。実施例品７は、Ｓｉ粒子のアスペクト比が２．３である。この実施例品７は、耐疲労性を示す疲労しない最大面圧が９０ＭＰａであった。これに対し、実施例品８は、Ｓｉ粒子のアスペクト比が２．６であり、疲労しない最大面圧が上述の通り８０ＭＰａであった。この実施例品７と実施例品８との対比から、Ｓｉ粒子のアスペクト比が２．５以下であると、そのアスペクト比が２．５より大きいものに比べて耐疲労性が優れていることがわかる。このように、Ｓｉ粒子のアスペクト比を１以上２．５以下に設定することにより、耐疲労性が向上することが確認できた。
【００３９】
さらに、厚さ方向で隣り合うＳｉ粒子が耐摩耗性に与える影響を検討するために実施例品５と実施例品６とを対比する。実施例品５は、摺動側の表面の特定Ｓｉ粒子から厚さ方向で半径ｒ＝Ｂ×（Ａ／ａ）の範囲内に隣り合ったＳｉ粒子が「存在する」ものである。この実施例品５は、耐摩耗性を示す摩耗量が１２μｍであった。これに対し、実施例品６は、摺動側の表面の特定Ｓｉ粒子から厚さ方向で半径ｒ＝Ｂ×（Ａ／ａ）の範囲内に隣り合ったＳｉ粒子が「存在しない」ものである。この実施例品６は、耐摩耗性を示す摩耗量が１５μｍであった。この実施例品５と実施例品６との対比から、厚さ方向で隣り合うＳｉ粒子が「存在する」ことにより、Ｓｉ粒子が「存在しない」ものに比べて耐摩耗性が優れていることがわかる。このように、厚さ方向で半径ｒの範囲内にＳｉ粒子が隣り合って存在することにより、耐摩耗性が向上することが確認できた。
【００４０】
以上の通り、これら摩耗試験および耐疲労試験の結果から、実施例品は、比較例品に比べて耐摩耗性および耐疲労性に優れていることが確認できた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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